JPH0265033A - Ion beam source for radio frequency - Google Patents
Ion beam source for radio frequencyInfo
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- H01J37/04—Arrangements of electrodes and associated parts for generating or controlling the discharge, e.g. electron-optical arrangement, ion-optical arrangement
- H01J37/08—Ion sources; Ion guns
Abstract
Description
【発明の詳細な説明】
（産業上の利用分野）
この発明は、イオン化されるべき個々の作業ガス、特に
濃縮自在のガス状金属蒸気及び金属化合物が充填される
イオン化容器、誘導的に刺徴される放電によって発生す
るプラズマと共に、イオン化容器内にプラズマを発生さ
せるための無線周波数源に連結されるコイル、及び数個
の抽出格子を有するビーム形成システムをを含む無線周
波数イオンビーム源に関する。DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION (Industrial Field of Application) The present invention relates to an ionization vessel filled with individual working gases to be ionized, in particular condensable gaseous metal vapors and metal compounds, inductively stinging. The present invention relates to a radio frequency ion beam source that includes a beam forming system having several extraction gratings and a coil coupled to a radio frequency source for generating the plasma in an ionization vessel, with a plasma generated by a discharge generated in the ionization vessel.
（従来の技術）
表面処理及び、特に薄い層の製造の技術は、近年とくに
このような工程の工業的応用に関して非常に重要になっ
ている。薄い層の製造または調製と金属表面の処理のた
めには、こんにち非常に多くの工程が存在する。これら
はすべて、工程室内での減圧または真空を必要とするた
め、真空装置内で行なわれる。BACKGROUND OF THE INVENTION The technology of surface treatment and, in particular, the production of thin layers has become very important in recent years, especially with regard to the industrial application of such processes. A large number of steps exist today for the production or preparation of thin layers and the treatment of metal surfaces. All of these processes require reduced pressure or vacuum within the process chamber and are therefore carried out in a vacuum apparatus.
いくつかの非常によく知られた工程は、炉やるつぼ等向
での、電気加熱または電子やイオン衝撃でのジュール熱
による蒸発に関係する。他の工程は、陽極や陰極アーク
の手段によって、または誘導されるＡＣ磁界内での誘導
物質の渦電流熱によっても作られる蒸発を使用する。直
流または交流のグロウ放電でのイオン化の磁気的増進作
用を有し、及び有さない各神の陰極スパッタリング装置
を使用する陰極上での大きな面積の昇華についても説明
が必要である。Some very well-known processes involve evaporation by Joule heating in furnaces, crucibles, etc., with electrical heating or with electron or ion bombardment. Other processes use evaporation created by means of anodic or cathodic arcs, or even by eddy current heating of the induced material within an induced AC magnetic field. Explanation also needs to be given to the sublimation of large areas on the cathode using various cathode sputtering devices with and without magnetic enhancement of ionization in direct current or alternating current glow discharges.
公知の、従来の蒸発源は、原子とイオンを、微粒子の運
動エネルギを法尻に配分する基礎上での凝縮のために供
給する。これは、高いエネルギの微粒子が、一般に希望
されて無欠陥の結晶成長をもたらす−様な凝縮よりもむ
しろ、損傷を生じるために、問題である。惹起される損
傷は、陰極スパッタリングの形に類似して、結晶の***
、結晶の破壊または表面の分解の形をとる。これに対し
て低いエネルギの入射微粒子は、結晶格子内部への規則
的結合のため表面での必要な運動エネルギを獲（りしな
い。Known conventional evaporation sources supply atoms and ions for condensation on a substrate that distributes the kinetic energy of the particulates. This is a problem because high-energy particles cause damage rather than condensation, which is generally desired and results in defect-free crystal growth. The damage induced takes the form of crystal splitting, crystal destruction or surface decomposition, similar to that of cathodic sputtering. In contrast, low-energy incident particles do not acquire the necessary kinetic energy at the surface due to regular bonding within the crystal lattice.
これらのエネルギは、しばしば、基礎と層の間の境界面
内で、希望される被覆の結合強度を得るためには不十分
である。ある場合には微粒子の高いエネルギが、基礎の
温度がある理由のため低く保持されねばならない時、ま
たは基礎と最上部凝縮面の間の熱交換が不十分の時、基
礎の表面エネルギを高めるために被覆ビーム内で必要で
ある。These energies are often insufficient to obtain the desired coating bond strength within the interface between the foundation and the layer. In some cases the high energy of the particulates is used to increase the surface energy of the base, when the temperature of the base must be kept low for certain reasons, or when the heat exchange between the base and the top condensing surface is insufficient. is required within the coated beam.
冒頭に挙げた種類の無線周波数イオン源も同じく公知で
ある（ＥＰ−Ａ２ ０２６１３３８及びＤＥ−Ａ１ ３
７０８７１６参照）、これらにおいて無線周波数・コイ
ルは個々のイオン化容器の外側に配置され、かつ特別に
形成されたイオン抽出装置が使用されている。このよう
なイオンビーム源は、簡単に充填されるイオンだけ、す
なわち単一のエネルギビームのピークだけの発生を可能
にし、反応性ガスとの使用が可能であり、頑丈で簡単な
構造と簡単な電源調節ユニットを有し、これらはまた、
作業上の信頼性と作業寿命上に設定される実際的要求を
満足することが出来る。Radiofrequency ion sources of the type mentioned at the outset are also known (EP-A2 0261338 and DE-A1 3
708,716), in which radio frequency coils are placed outside the individual ionization vessels and specially constructed ion extraction devices are used. Such an ion beam source allows the generation of only easily loaded ions, i.e. only a single energy beam peak, can be used with reactive gases, has a robust and simple construction and is simple to use. It has a power conditioning unit and these also
The practical requirements set on operational reliability and operational life can be met.
しかしながら公知の無線周波数イオンビーム源では、実
際には極度に低い値以下への、可変イオンエネルギの強
いビームに対して発生する要求、特に金属イオンをも発
生すべき要求を満足することは出来ない。However, known radio frequency ion beam sources cannot in practice meet the requirements arising for a strong beam with variable ion energies below extremely low values, in particular the requirement to also generate metal ions. .
（発明が解決しようとする課題）
本発明の目的は、したがって実際上、冒頭に挙げた種類
の無線周波数イオンビーム源を開発し、広範囲に単一エ
ネルギ的なイオンのエネルギ分布によってイオンエネル
ギとイオン東密度が、共に連続的かつ極度に大きな範囲
で可変であり、またとりわけ、非常に低いエネルギの強
い金属イオンビームを発生可能にするすることである。OBJECTS OF THE INVENTION The object of the invention is therefore to develop a radio frequency ion beam source of the kind mentioned in the opening paragraph, in which the ion energy and ion The east density is variable both continuously and over an extremely large range, and above all it is possible to generate intense metal ion beams of very low energy.
ビームの分散は、少なくとも実質的には回避されるべき
である。Beam dispersion should be at least substantially avoided.
（問題点を解決するための手段）
この目的は本発明に従って、自動的リング放電を生じさ
せ、かつイオン、電子及び中性ガス微粒子の非等温性プ
ラズマの発生のために機能する無線周波数コイルがイオ
ン化容器の内部で同軸的に配置されること、イオン化容
器が金属の伝導性容器として形成されること、かつビム
形成システムが多孔性抽出格子とこれらに直接続き、特
に選択的にスイッチオン可能な焦点集中ユニットの組み
合わせを含むことで満足される。SUMMARY OF THE INVENTION The object is to provide a radio frequency coil which automatically generates a ring discharge and functions for the generation of a non-isothermal plasma of ions, electrons and neutral gas particles. It is provided that the ionization vessel is arranged coaxially inside the ionization vessel, that the ionization vessel is formed as a metallic conductive vessel, and that the beam-forming system directly follows the porous extraction grid and can in particular be selectively switched on. It is satisfied to include a combination of focusing units.
イオン化容器の内部での無線周波数コイルの配置及び金
属のイオン化容器の使用は、全面的に頑丈で価格価値の
ある構造を有する非常に強固な装置をもたらすだけでな
く、特に金属イオンの発生をも可能にす・る。これは、
外側へ配置された無線周波数コイルを持つ公知の石英容
器で発生する危険がもはや存在しないために可能である
。即ち分解された誘導物質は石英容器の内壁上に付着し
て、誘導的被覆を形成し、かつ放電プラズマ内部への侵
入に対して無線周波数エネルギを遮断する。The arrangement of radio frequency coils inside the ionization vessel and the use of a metal ionization vessel not only result in a very robust device with an all-around robust and cost-effective construction, but also particularly reduce the generation of metal ions. enable. this is,
This is possible because the dangers that occur in known quartz containers with radio frequency coils arranged on the outside no longer exist. That is, the decomposed inductor material deposits on the inner wall of the quartz vessel, forming an inductive coating and blocking the radio frequency energy from entering the interior of the discharge plasma.
多孔性抽出格子と、イオン光学的、静電的、静磁気的、
または電子磁気的原理で作動し、かつ特に選択的にスイ
ッチインされるイオン焦点集中ユニットの組み合わせの
形をした本発明のビーム形成システムによって、連続的
に選択自在のイオン電流密度が大きな範囲内で、特にほ
ぼ単一エネルギ的で連続的に可変のイオンエネルギを持
つ１ ｍ Ａ ／ ｃ−以下及び１０ ｍ Ａ ／ ｃ
＋ｊ以上の範囲に対して、特にほぼ１０ｅＶと３ｋｅｙ
の間で、実際にまた独立的に調節自在がっ高い電流密度
によって確保される。本発明に従う無線周波数イオンビ
ーム源は、ガス状金属化合物からの金属イオンを含むイ
オン及び反応ガスのイオンの広い範囲に対して使用可能
である。Porous extraction gratings and ion optical, electrostatic, magnetostatic,
Alternatively, the inventive beam forming system in the form of a combination of an ion focusing unit operating on an electromagnetic principle and in particular selectively switched on allows a continuously selectable ion current density to be controlled within a large range. , especially below 1 m A/c and 10 m A/c with nearly monoenergetic and continuously variable ion energies.
For the range above +j, especially about 10eV and 3key
A high current density is ensured between the two, which is actually also independently adjustable. The radio frequency ion beam source according to the invention can be used for a wide range of ions, including metal ions from gaseous metal compounds and ions of reactive gases.
それは、長い作業寿命と仕事の間の長い時間間隔の点で
特徴を有する。It is characterized by a long working life and long time intervals between jobs.
イすン化容器は、好ましくは化学的に抵抗性のステンｌ
／スの非磁性鋼から成り、かつ冷却液、例えば冷却水を
備えることが出来る。無線周波数コイルは、好ましくは
、高いプラズマ伝導性とコイルに沿って差動的な無線周
波数電圧を考慮して、例えば石英繊維織物のカバーまた
はガラス被覆の形の絶縁層と共に、被覆されている鋼管
コイルを有し、それを通って冷却液が流れる非磁性的な
良導電性の金属管コイルから成る。The desulfurized vessel is preferably made of chemically resistant stainless steel.
/ of non-magnetic steel and may be provided with a cooling liquid, for example cooling water. The radio frequency coil is preferably a coated steel tube, in view of the high plasma conductivity and the differential radio frequency voltage along the coil, with an insulating layer, for example in the form of a quartz fiber fabric cover or a glass cladding. It consists of a non-magnetic, highly conductive metal tube coil with a coil through which the coolant flows.
イオン化容器は、一端でカバーを、他端で取り付けカバ
ーを備える。イオン源は、外部には薄い取り付けフラン
ジを介して、関連する真空室上にフランジ接合される。The ionization vessel includes a cover at one end and a mounting cover at the other end. The ion source is externally flanged onto the associated vacuum chamber via a thin mounting flange.
カバーを通してのコイル接続部の通過のための絶縁体が
カバー内またはその上に備えられて、コイルへの無線周
波数出力の供給を可能にする。Insulators are provided in or on the cover for passage of the coil connections through the cover to enable the provision of radio frequency power to the coil.
ガスの入り口もカバー・内にあり、このカバーは好まし
くは容器と一体的に形成される。内側へ配置されるスク
リーンが好ましくはイオン化容器内に使用されて、金属
がコイル接続部用の絶縁体上に付着するのを防止する。The gas inlet is also in the cover, which is preferably formed integrally with the container. An internally placed screen is preferably used within the ionization vessel to prevent metal from depositing on the insulation for the coil connections.
交番極性の永久磁石のリングは、中心でイオン化容器と
コイルに対して相対的に、イオン化容器の金属製外側ジ
ャケット上に取り付けられて、イオン化容器の壁での放
電損失を減少させる。与えられた無線周波数出力に対し
て、プラズマ密度とビーム密度は、この種の゛尖端磁界
配置″がイオン化装置の壁でのプラズマ電流損失を大幅
に減少させ、かつこれらの永久磁石の適当な配置によっ
てプラズマが抽出穴を介してさらに集中させられるため
、この方法で増大させることが出来る。A ring of alternating polarity permanent magnets is mounted on the metallic outer jacket of the ionization vessel, relative to the ionization vessel and the coil at the center, to reduce discharge losses at the walls of the ionization vessel. For a given radio frequency power, the plasma and beam densities are such that this type of "tip field arrangement" greatly reduces plasma current losses at the ionizer walls, and that a suitable arrangement of these permanent magnets can be increased in this way, since the plasma is further concentrated through the extraction hole.
本発明に従って備えられる抽出格子は、好ましくけ多孔
性の三つの格子抽出システムを形成し、このシステムの
第一の格子電極は金属イオン化容器と結合される。相互
に絶縁される個々の格子電極の厚さとこれらの相互間隔
は非常に小さく、好ましくは実質的に１ｍｍ以下である
。The extraction grid provided according to the invention forms a preferably porous three-grid extraction system, the first grid electrode of which is coupled to the metal ionization vessel. The thickness of the individual grid electrodes which are insulated from each other and their mutual spacing is very small, preferably substantially less than 1 mm.
中央の支柱は、格子電極の正確な間隔を確保し、かつ格
子の熱的曲げ変位を制限すべく、備えられる。A central post is provided to ensure accurate spacing of the grid electrodes and to limit thermal bending displacements of the grid.
本発明に従って備えられるイオン焦点集中ユニットは、
特に低いイオンエネルギと高い電流密度においてスイッ
チオンされる。このユニットは、好ましくは、第三の格
子電極と二つのリング７Ｊ ｆｆｉによって形成される
イオン光学的焦点集中レンズから成る。二つのリングｍ
Ｆ３は、好ましくは仮想円すい面、特にイオン化容器
から喘れで分岐し、３０°の包含角を持つ円すい面上に
ある。The ion focusing unit provided according to the invention comprises:
It is especially switched on at low ion energies and high current densities. This unit preferably consists of an ion-optical focusing lens formed by a third grid electrode and two rings 7J ffi. two rings m
F3 preferably lies on a virtual conical surface, in particular a conical surface that diverges from the ionization vessel with a gap and has an inclusion angle of 30°.
本発明の実施例に従って、白熱フィラメントコイルを持
つビーム中和装置は、好ましくは接地されるイオン源出
力の領域内に、またはイオンレンズの内側にも備えられ
る。ビーム中和装置は、有利には、絶縁性ターゲットと
共に、または少なくとも低いエネルギのイオンビームの
空間充電の広がりを二次的に減少させる絶縁性表面を有
するターゲットと共に使用される。According to an embodiment of the invention, a beam neutralization device with an incandescent filament coil is preferably provided in the area of the ion source output, which is grounded, or also inside the ion lens. The beam neutralizer is advantageously used with an insulating target, or at least with a target having an insulating surface that secondarily reduces the space charge spread of the low energy ion beam.
さらに、イオンエネルギに対して合わせられた磁界強さ
を持つ磁気レンズがイオン源出力の領域内に備えられて
、ビームの集束を支援する。Additionally, a magnetic lens with a magnetic field strength tailored to the ion energy is included in the region of the ion source output to assist in beam focusing.
本発明に従ってイオンビーム源を作動させるための方法
に関連して、有利には、無線周波数出力及び／または抽
出電圧に依存する電流密度及びイオンエネルギをお互い
から独立して変化させることが出来る。この方法で、最
も誰多、かつ最も困難な仕事を理想的に満足させること
が出来る。In connection with the method for operating an ion beam source according to the invention, advantageously the current density and the ion energy depending on the radio frequency power and/or the extraction voltage can be varied independently of each other. In this way, the most demanding and difficult tasks can be ideally satisfied.
これらの仕事は以下のように説明することが出来る。す
なわち、基礎上に面突するイオンのエネルギと電流密度
は、明々の物質に対して希望される層の品質に対して選
択され、かつ最良にされなければならない。これには、
以下の理由がある。These tasks can be explained as follows. That is, the energy and current density of the ions impinging on the base must be selected and optimized for the desired layer quality for the particular material. This includes:
There are following reasons.
特殊な結晶方向の成長のためには、イオンの到着の最小
と最大のエネルギを共に規定することが必要である。例
えば多くの結晶は、エネルネギの供給と熱の消散にしば
しば方向的に依存しているこれらの生成によって、内部
熱的に生成される。その上、丸い塊、長い針、円柱また
はスレート様の板として現われる結晶質の形は、成長の
間、入射イオンと原子のエネルギに依存する。For the growth of specific crystal orientations, it is necessary to define both the minimum and maximum energies of ion arrival. For example, many crystals are generated internally thermally, with their formation often directionally dependent on the supply of energy and the dissipation of heat. Moreover, the crystalline shape, which appears as round lumps, long needles, cylinders or slate-like plates, depends on the energy of the incident ions and atoms during growth.
さらに基礎上へ入Ｑ１するイオンの電流密度または原子
の電流密度は、全面の結晶質組織と、したがって全層の
成長速度に大きな影響をもたらす。イオン電流密度とイ
オンエネルギは共に、各物質の種類と層の品質に対して
個別に最良にされなければならず、この層の品質は本発
明のイオンビーム源によって可能にされる。Furthermore, the current density of ions or atoms entering Q1 onto the base has a significant influence on the overall crystalline structure and therefore on the growth rate of the entire layer. Both ion current density and ion energy must be optimized individually for each material type and layer quality, which is made possible by the ion beam source of the present invention.
基礎と現実の層の間にしっかりと結合された境界層を形
成するためには、しばしば、高いイオンエネルギで作業
が行なわれて、一種のイオン注入と、したがって基礎に
意図された層の特別な固着作用が得られる。イオン注入
は結果的に、原子が結晶質の間で、かつ結晶質の内部で
も、いくつかの原子の平面の深さまで基礎の結晶内に結
合されることをもたらす。そうすることで、到着原子の
、結晶質原子との拡散的交換が同時的に可能とされる。In order to form a tightly bonded boundary layer between the foundation and the real layer, work is often carried out at high ion energies, a kind of ion implantation and therefore a special A fixing effect can be obtained. Ion implantation results in atoms being bonded within the underlying crystal to a depth of several atomic planes, both between and within the crystals. By doing so, diffusive exchange of arriving atoms with crystalline atoms is simultaneously possible.
これは、結果的には例えば、固溶体、混合結晶、及び内
部金属的な化合物をもたらす。This results in, for example, solid solutions, mixed crystals, and internal metallic compounds.
上述されたすべてのことは、本発明のイオンビーム源の
使用によって、連続的な方法段階で中断することなく、
同じ真空プラントと同じ位置において可能とされる。し
たがって、陰極スパッタリングまたはイオンビーム腐蝕
による表面掃除のようないくつかの方法段階は、高いエ
ネルギのイオンと、次にしっかり結合された境界層の生
成、そして最後に希望の層の生成によって、上述のよう
に、中断なしに、かつ同じイオンビーム源によって実施
することが出来る。All of the above can be achieved without interruption in successive method steps by using the ion beam source of the invention.
possible in the same vacuum plant and in the same location. Therefore, several method steps, such as surface cleaning by cathodic sputtering or ion beam etching, can be performed using high-energy ions, then by creating a tightly bonded boundary layer, and finally by creating the desired layer. can be performed without interruption and with the same ion beam source.
例として、方法段階は、以下の方法段階の少なくともい
くつかの組み合わせを含むことが出来る。By way of example, method steps can include a combination of at least some of the following method steps.
ａ）基礎面は、適当に選択されたイオンエネルギとイオ
ン電流密度によるイオンビーム腐蝕によって清浄化され
、部分的に腐蝕される。a) The base surface is cleaned and partially etched by ion beam etching with suitably selected ion energies and ion current densities.
ｂ）基礎面は、低いイオンエネルギと高い電流密度（１
ｍ Ａ ／ ｃｄ以上）のイオンビーム手段によって加
熱され、ガスを除去される。b) The basal plane has low ion energy and high current density (1
mA/cd) and the gas is removed by ion beam means.
Ｃ）基礎面は、凹凸穴と溝の手段によって、希望される
層の良好な機械的アンカー作用を目標に線面化される。C) The base surface is lined by means of relief holes and grooves with the aim of good mechanical anchoring of the desired layer.
ｄ）高エネルギ（５０ｋｅＶ以上）のイオン（ビームの
電流密度は低い）が基礎に射出される結果、イオンは若
干の原子平面を、結晶ｒ１（結晶粒）内部に、特に結晶
原子の間の空間内部に、かつ結晶質（内部粒）の内部空
間の内部にさえ、深く侵入して原子の内部拡散を開始し
、それによってイオンの注入が侵入イオン、混合された
結晶体及び、例えば、基礎の物質との内部金属的化合物
の固溶体を作り出す。d) As a result of the base injection of high-energy (more than 50 keV) ions (the current density of the beam is low), the ions create some atomic planes inside the crystal r1 (crystal grains), especially the spaces between the crystal atoms. Deeply penetrating into the interior and even inside the internal spaces of the crystalline material (internal grains), initiating an internal diffusion of atoms, whereby the implantation of ions causes the intruding ions, mixed crystalline bodies and, e.g. Creates a solid solution of an internal metallic compound with a substance.
ｅ）金属、合金または化合物の層が、基礎の表面上に各
結晶物の組織と形状に対して必要な】１）良のイオンエ
ネルギと最良のイオン電流密度によって生成される。e) A layer of metal, alloy or compound is produced on the surface of the base with the required 1) good ion energy and best ion current density for each crystalline structure and shape.
ｆ）金属、合金または化合物の層が、各結晶組織と結晶
方向に対して必要な、最良のイオンエネルギと最良のイ
オン電流密度によって生成される。f) A layer of metal, alloy or compound is produced with the best ion energy and best ion current density required for each crystal structure and direction.
さらにこの可能性を説明するために、上述の方を去段階
ａ）、ｂ）、ｄ）及びｆ）は、例えば、超硬合金やセラ
ミック層を無機質の基礎上に適用すべく使用可能である
。対照的に、ａ）、ｂ）。To further illustrate this possibility, steps a), b), d) and f) above can be used, for example, to apply cemented carbide or ceramic layers on mineral bases. . In contrast, a), b).
ｃ）、ｅ）及びｆ）は、近代的プラスチックへの金属層
、例えばポリ四ふっ化エチレンへの金の層の適用に対し
て適当である。本発明の方法はまた、半導体の被覆、例
えばガリウム砒素がペースの半導体への接触適用に対し
て十分適している。このため、上述の方法段階ａ）、ｂ
）、ｅ）及びｆ）の組み合わせが好適である。c), e) and f) are suitable for the application of metal layers to modern plastics, for example gold layers to polytetrafluoroethylene. The method of the invention is also well suited for contact applications to semiconductor coatings, such as gallium arsenide based semiconductors. For this reason, the above-mentioned method steps a), b)
), e) and f) are preferred.
そのほか、特に重要なのは、イオン源は適当なイオン電
流密度とイオンエネルネギによって基礎上に、例えば複
合材の性質の合金をも含む合金及び化合物を付着すべく
使用可能、ということである。Additionally, of particular importance, the ion source can be used to deposit alloys and compounds, including, for example, alloys of composite nature, onto the substrate by means of appropriate ion current densities and ion energies.
さらに述べられるべき点は、その後の磁気的焦点集中は
処理室内で行なうことが出来るため、特に低いイオンエ
ネルギでのイオンの分岐傾向に対抗し得ることである。It should further be mentioned that the subsequent magnetic focusing can take place within the processing chamber, thereby counteracting the tendency of ions to diverge, especially at low ion energies.
すなわち、磁気的後段焦点集中は、イオン放射源と基礎
の間の処理室内で行なわれ、または相応する装置が配置
される。この後段焦点集中装置は、特にイオンエネルネ
ギが約５００ｅＶ以下に落下するとき有用である。The magnetic postfocusing therefore takes place in a treatment chamber between the ion radiation source and the base, or a corresponding device is arranged. This post-focusing device is particularly useful as the ion energy drops below about 500 eV.
本発明の別の有利な特徴と展開は、従属請求の範囲に呈
示される。Further advantageous features and developments of the invention are presented in the dependent claims.
（実施例）
以下において本発明の好適実施例を、図面を参照してさ
らに詳細に説明する。(Example) Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in further detail with reference to the drawings.
第１図に示されるように、高周波のイオンビーム源は、
関連するガス供給システム２付きの金属イオン化容器１
、イオン化容器１の内部に配置されて関連する無線周波
数発信器４を有する無線周波数コイル３′、及びビーム
形成システムを含み、このシステムは三つの格子電極６
．７．８と、イオンレンズに属する二つのリング電極９
．１０を含む。As shown in Figure 1, the high frequency ion beam source is
Metal ionization vessel 1 with associated gas supply system 2
, a radio frequency coil 3' disposed inside the ionization vessel 1 and having an associated radio frequency transmitter 4, and a beam forming system comprising three grid electrodes 6.
．． 7.8 and two ring electrodes 9 belonging to the ion lens
．． Contains 10.
格子電極及び／またはリング電極は高電圧発生器１１に
接続される。イオン化容器１は、特別の装置１！ｊ５内
の永久磁石によって包囲される。The grid electrode and/or the ring electrode are connected to a high voltage generator 11. The ionization container 1 is a special device 1! surrounded by a permanent magnet in j5.
ガス供給システム２がら流入する作業ガスは、イオン化
容器１内でイオン化される。即ち、正のイオンと電子に
分離されて、プラズマ状態が作り出される。The working gas flowing in from the gas supply system 2 is ionized in the ionization vessel 1 . That is, positive ions and electrons are separated to create a plasma state.
誘導的な無線周波数と自動的リング放電のため必要な放
電出力は、好ましくは０．５ないし３０ Ｍ ＨＺの周
波数帯域で作動する無線周波数発信器によって発生する
。これはまず第一に、誘導によって同じ周波数の閉鎖さ
れた磁カ綜を持つ電気的製磁界を発生するコイルの内部
に高周波の軸方向磁界を惹起する。この渦磁界放電にお
いて、電子は、それが新しいイオン化インパクトを惹起
可能となるまで、はぼ円形の道程上で加速される。方向
反転による弾性的中心？★ｉ突と無線周波数方位角電界
の方向変化の共働によって、この位置で影響される電子
は急速にエネルギをＭ積することが出来る。発信器周波
数、放電圧力及びイオン化容器の周囲を最良に合わせる
ことによって、この蓄積の工程は、静的観点から有利に
影響され得る。イオン化容器の長さも、容器の半径とイ
オンの質量に依存して最良状態にして、イオンの収−叶
を最大にすることが出来る。The discharge power required for the inductive radio frequency and automatic ring discharges is generated by a radio frequency oscillator, preferably operating in the frequency range of 0.5 to 30 MHz. This first of all induces a high-frequency axial magnetic field inside the coil which generates by induction an electrical magnetic field with a closed magnetic heel of the same frequency. In this eddy magnetic field discharge, the electron is accelerated on a nearly circular path until it is able to cause a new ionizing impact. Elastic center due to direction reversal? Due to the interaction of the ★i bump and the change in direction of the radio frequency azimuthal electric field, the electrons affected at this location can rapidly accumulate energy. By optimally adapting the oscillator frequency, the discharge pressure and the surroundings of the ionization vessel, this accumulation process can be advantageously influenced from a static point of view. The length of the ionization vessel can also be optimized depending on the radius of the vessel and the mass of the ions to maximize ion collection.
イオン化する電子が先行するイオン化石３動から作り出
されるときは、それを供給するために陰極がグロウ発光
をなんら必要としない独立的ガス放電が存在する。これ
は結果的に、無線周波数放電の高度のイ３頼性と長寿命
を、特に反応ガスと作動するとき、もたらす。When the ionizing electrons are created from the preceding ionizing electrons, there is an independent gas discharge in which the cathode does not require any glow emission to supply it. This results in a high degree of reliability and long life of the radio frequency discharge, especially when working with reactive gases.
無線周波数放電の開始は、自動的に、適当な高さの作動
圧力の高電圧パルスまたは低いガス圧力での短時間サー
ジ圧力によって発生する。Initiation of the radio frequency discharge occurs automatically by a high voltage pulse at an appropriately high operating pressure or by a short pressure surge at a low gas pressure.
無線周波数放電の生成時間は約３０μｓだけであり、こ
れは多くの用途に対して重要である。The generation time of a radio frequency discharge is only about 30 μs, which is important for many applications.
無線周波数放電は、イオン、電子及び中性のガス微粒子
を含む非等温プラズマを発生する。The radio frequency discharge generates a non-isothermal plasma containing ions, electrons and neutral gas particles.
第２図から分かるように、電子の温度Ｔ６は１０’にの
オーダに達するのに対して、イオンの温度、特に中性微
粒子の温度は室温より少し高いだけである。このことも
、全イオン化装置の冷却を簡単にしている。As can be seen from FIG. 2, the temperature T6 of electrons reaches the order of 10', whereas the temperature of ions, especially the temperature of neutral particles, is only slightly higher than room temperature. This also simplifies cooling of the entire ionizer.
無線周波数放電の別の利点は、プラズマ電子のほぼ純粋
なマクスウェル分布であって、これは、定量的基礎にお
いては二重イオンがほとんど発生せず、したがって希望
されるエネルギの同等性が二重または多数エネルギの微
粒子によって妨害されないことを意味している。誘導法
則の結果として、電気的な渦磁界強さＥはイオン化装置
の軸においてゼロであって、コイルの半径方向へ上昇し
、かつこの過程はスキン効果によってさらに増幅される
。この結果として、電子の温度Ｔ６は、第２図に示され
るように外側へ急速に上昇する。Another advantage of radio frequency discharges is the almost pure Maxwellian distribution of plasma electrons, which means that on a quantitative basis very few double ions occur and therefore the desired energy equivalence is double or This means that it is not interfered with by particles with a large number of energies. As a result of the induction law, the electric eddy magnetic field strength E is zero at the axis of the ionizer and rises in the radial direction of the coil, and this process is further amplified by the skin effect. As a result of this, the electron temperature T6 rapidly rises outwards as shown in FIG.
しかしながらプラズマ密度ｎは、周縁方向へ、また実際
上、その後のイオンと電子の再組み合せを持つ充電キャ
リア運動の結果、減少する。However, the plasma density n decreases towards the periphery and indeed as a result of the charged carrier movement with subsequent recombination of ions and electrons.
抽出自在のビーム電流密度はｎ−ＪＴ、に比例するため
、この場合両効果はほぼ互いに相殺し、したがって高周
波イオンビーム源は希望される−様なビーム輪郭を有す
る。プラズマ密度ｎは、したがって抽出自在の電流密度
も無線周波数発ｆ３器の出力と共に直線的に増大するた
め、得られるイオン密度は抽出システムと、冷却手段と
共に備えられるイオンビーム源の最大作動温度によって
制限されれるだけである。Since the extractable beam current density is proportional to n-JT, both effects approximately cancel each other out in this case and the radio frequency ion beam source therefore has the desired beam profile. Since the plasma density n, and therefore also the extractable current density, increases linearly with the power of the radio frequency generator, the ion density obtained is limited by the extraction system and the maximum operating temperature of the ion beam source, which is provided with cooling means. It's just being done.
イオンビーム１２の形成のため第１図に示されるシステ
ムは、イオン化装；ｎからのプラズマイオンを抽出し、
これらを加速し、かつこれらをビーム１２内部で焦点集
中させる仕事を有する。この仕事を１００ｖ以下のビー
ム電圧またはイオンエネルギに対して満足するために、
本発明の無線周波数イオンビーム源は、多数の孔の抽出
格子とイオン光学的焦点集中ユニットの組み合わせと共
に備え′られる。The system shown in FIG. 1 for forming the ion beam 12 extracts plasma ions from an ionization device;
It has the task of accelerating them and focusing them within the beam 12. In order to satisfy this work for beam voltages or ion energies below 100V,
The radio frequency ion beam source of the present invention is equipped with a combination of a multi-hole extraction grating and an ion optical focusing unit.
このビーム形成システムに属する全格子及びリング電極
６．７．８．９は、第１図に示されるように、好ましく
はモリブデン、ステンレス鋼を含み、かつこれらの電極
には高い熱的安定性が要求される。個々の電極は相応す
る高電圧源に接続される。All grid and ring electrodes 6.7.8.9 belonging to this beam forming system preferably contain molybdenum, stainless steel, and these electrodes have a high thermal stability, as shown in FIG. required. The individual electrodes are connected to a corresponding high voltage source.
第一の格子電極は抽出陽極とも呼ばれ、はぼ１０ないし
３０００Ｖの正電位にあって、電気及び熱伝導的にイオ
ン化容器１に接続される。The first grid electrode, also called extraction anode, is at a positive potential of approximately 10 to 3000 V and is electrically and thermally conductively connected to the ionization vessel 1.
イオン化容器１は作業においては陽極として働き、かつ
アース電位に保持される最後の電ｔ−ｉ ｔＯと一緒に
、イオンエネルギのためのビーム電圧（約１０ないし３
０００Ｖ）を決定する。The ionization vessel 1 serves as an anode in operation and, together with the final voltage t-i-tO, which is held at ground potential, has a beam voltage for the ion energy (approximately 10 to 3
000V).
第二の格子電極７は抽出陰極と呼ばれ、あるレベルにお
いて負にバイアスされている。このレベルは、第一格子
電極６からの電位差が理想的抽出電圧に依存する希望の
電流密度を供給する程度の高さである。第二格子電極か
らのプラズマ境界面１４の距離は第３図に示され、それ
によって等価電位線の曲がりを考慮したイオンの加速経
路ｄを説明している。第三の格子電極８は減速電極と呼
ばれ、接地する必要はない。The second grid electrode 7 is called the extraction cathode and is negatively biased at some level. This level is such that the potential difference from the first grid electrode 6 provides the desired current density, which depends on the ideal extraction voltage. The distance of the plasma interface 14 from the second grid electrode is shown in FIG. 3, thereby explaining the acceleration path d of the ions taking into account the bending of the equivalent potential line. The third grid electrode 8 is called a deceleration electrode and does not need to be grounded.
それは、同時に、抽出経路の後ろに挿入されて自由に選
択自在の電位を持つイオンレンズの第一電極として働く
。It simultaneously serves as the first electrode of an ion lens with a freely selectable potential inserted after the extraction path.
第一のリング電極９はイオンレンズの中央電極を代表し
、その電位は理想的にはビーム電流とビーム電圧の希望
される値に合っていなければならない。The first ring electrode 9 represents the central electrode of the ion lens and its potential should ideally match the desired values of beam current and beam voltage.
第二のリング電極１０はアース電位にあって、イオンレ
ンズとビーム形成システム全体を終了している。The second ring electrode 10 is at ground potential and terminates the ion lens and the entire beam forming system.
第３図は、三つの格子電極６．７．８内部での電位分布
と部分的ビームに対するイオン通路を示す。プラズマイ
オンは、二つの第一電極６．７の間の抽出磁界によって
拾い上げられ、かっ第二格子電極７（抽出ｌ１３極）の
穴に向けて加速されるのに対してプラズマ電子は抑制さ
れるため、正の空間充電が抽出範囲内部に発生する。FIG. 3 shows the potential distribution inside the three grid electrodes 6.7.8 and the ion path for the partial beam. Plasma ions are picked up by the extraction magnetic field between the two first electrodes 6.7 and accelerated towards the holes in the second grid electrode 7 (extraction pole), whereas plasma electrons are suppressed. Therefore, a positive space charge occurs inside the extraction range.
無線周波数放電の中性プラズマと正の空間充電域の間の
境界はプラズマ境界１４と呼ばれて、″イオンエミッダ
゛として作用する。The boundary between the neutral plasma of the radio frequency discharge and the positive space charge region is called the plasma boundary 14 and acts as an "ion emitter".
特別のイオンエネルギ及び同時に定義された電流密度が
必要と、されるとき、これは実質的につねに、二つの第
一格子電位Ｕ＋を調節することによって得られる。When a particular ion energy and at the same time a defined current density are required, this is virtually always obtained by adjusting the two first grid potentials U+.
希望されるビーム電圧Ｕは、通常、希望される電流密度
に依存する必要な依存性抽出電圧以下にある。この場合
は、いわゆる加速・減速技術が使用されて、イオンは第
二格子電極７と第二格子電極８の間で、希望されるＵ値
以下に減速される。抽出される全イオン電流は、個々の
抽出穴での電流密度、抽出穴の数及び個々の穴の断面積
の積から生じる。しかるとき、放射されるべき基礎にお
ける電流密度は、基礎の位ｉＺｌでのビーム断面に関係
して、その電流から続いて生じる。放電プラズマを無線
周波数イオン化装置内で準中性的に保持するためには、
後者を抽出されるイオン電流に匹敵する多数のプラズマ
電子から抽出することが必要である。これは、正にバイ
アスされる抽出陽極として作用する第一の格子電極６及
び、とりわけ後者に接続される金属イオン化容器１によ
って自動的に行なわれる。放電プラズマは自動的に、抽
出陽極６のそれよりも約１０Ｖ高くにあるイオン化容器
に対して相対的な電位を１する。The desired beam voltage U is usually below the required dependent extraction voltage, which depends on the desired current density. In this case, a so-called acceleration/deceleration technique is used to decelerate the ions between the second grid electrode 7 and the second grid electrode 8 below the desired U value. The total extracted ion current results from the product of the current density at the individual extraction holes, the number of extraction holes, and the cross-sectional area of the individual holes. The current density at the base to be radiated then follows from that current in relation to the beam cross section at the base position iZl. In order to keep the discharge plasma quasi-neutral in the radio frequency ionization device,
It is necessary to extract the latter from a large number of plasma electrons comparable to the extracted ionic current. This is done automatically by the first grid electrode 6 acting as a positively biased extraction anode and, inter alia, by the metal ionization vessel 1 connected to the latter. The discharge plasma automatically brings the potential to 1 relative to the ionization vessel, which is about 10 V higher than that of the extraction anode 6.
ビーム形成システムは、希望されるイオン電流を抽出し
てそれを希望される電圧に加速する仕事を有するのみな
らず、出来るだけ分岐の小さいビームにその焦点を集中
させるべき課題を持つ。一定の限界内で、個々の部分ビ
ームの焦点集中は、すでに三つの格子電極６．７．８内
で、第３図に示されるように行なわれる。The beamforming system not only has the task of extracting the desired ion current and accelerating it to the desired voltage, but also has the task of focusing the beam into a beam with as few branches as possible. Within certain limits, the focusing of the individual partial beams takes place already within the three grid electrodes 6.7.8, as shown in FIG.
これは、放電出力に依存する適度な高さの抽出電圧にお
いて、プラズマ境界は上方へ凹面鏡状に湾曲しているた
め、すべての等電位面も加速経路の上部において対応的
に湾曲し、したがって部分的ビームのくびれをもたらす
イオン光学レンズが生じるからである。これの結果とし
て、第二格子電極７内の六′をより小さくして中性ガス
の損失を減少させることが出来、このことはイオン源の
ガスの経済性を改善可能にする。This is because at moderately high extraction voltages, which depend on the discharge power, the plasma boundary is curved upwards in a concave mirror-like manner, so that all equipotential surfaces are also correspondingly curved at the top of the acceleration path, and therefore partially This is because an ion optical lens is created which causes a waisting of the target beam. As a result of this, the 6' in the second grid electrode 7 can be made smaller to reduce neutral gas losses, which makes it possible to improve the gas economy of the ion source.
第４図は、第３図に基づく三つの格子抽出システムの抽
出自在な合計イオン電流、第二格子電極７への電流損失
及び抽出電圧の関数としての抽出電流を示す。イオン化
装置内のプラズマ密度と抽出電圧がお互いに正しく合う
ならば、したがっていわゆる′°理想的に焦点集中され
た場合″が存在するならば、部分ビームの焦点は正確に
第二格子電極７の穴の中心にある。抽出陰極を代表する
この格子電極７での損失電流は、それによって最小値に
達する。抽出電圧が大きすぎたり小さすぎたりすると、
レンズの焦点長さは加速度距離以下または以上にあり、
それによって損失電流は大きくなり、出力損失とスパッ
タリング損傷は増大する。高いビーム電流密度と同様な
後間において非常に低いイオンエネルギへの要求を満足
し、それによってビームの拡散効果を回避するために、
本発明に従ってイオン焦点集中レンズが、格子電極シス
テムの後ろに配置され、かつ第三の格子電極８と二つの
リング電極９．１０を含む。FIG. 4 shows the total extractable ion current, the current loss to the second grid electrode 7 and the extraction current as a function of the extraction voltage for the three grid extraction systems according to FIG. If the plasma density in the ionizer and the extraction voltage are correctly matched to each other, and therefore the so-called ``ideally focused case'' exists, then the focus of the partial beam will be exactly at the hole in the second grid electrode 7. The loss current in this grid electrode 7, representing the extraction cathode, thereby reaches a minimum value.If the extraction voltage is too large or too small,
The focal length of the lens is below or above the acceleration distance,
This increases the loss current, increasing the power loss and sputtering damage. In order to meet the requirements for very low ion energies in the same interval as high beam current densities, thereby avoiding beam spreading effects,
According to the invention, an ion focusing lens is arranged behind the grid electrode system and includes a third grid electrode 8 and two ring electrodes 9.10.
第５図は、本発明に従って無線周波数イオンビーム源の
実施例の断面を示す。イオン化容器１は、内径Ｌｏａｍ
及び内部高さ６ｃｍの金属円筒を含む。円筒部分の壁厚
さは２ｍｍに、またカバー２４の壁厚さは６ｍｍになる
。イオン化容器１は＋ｌＯＶから＋３０００ｖまでの範
囲内の正のビーム電位にあり、かつ冷却システムと共に
備えられる。FIG. 5 shows a cross section of an embodiment of a radio frequency ion beam source according to the invention. The ionization container 1 has an inner diameter of
and a metal cylinder with an internal height of 6 cm. The wall thickness of the cylindrical part is 2 mm, and the wall thickness of the cover 24 is 6 mm. The ionization vessel 1 is at a positive beam potential in the range from +lOV to +3000v and is equipped with a cooling system.
対応的にフライス加工された逃げ部分を備えるしんちゅ
うリング内には、例として、１６個のコバルト・サマリ
ウム永久磁石５が配置される。磁石の支持リングは、上
からイオン化円筒上に押し込まれて後者にねじ固定され
る。By way of example, 16 cobalt samarium permanent magnets 5 are arranged in the brass ring with a correspondingly milled relief. The support ring of the magnet is pushed onto the ionization cylinder from above and screwed onto the latter.
入り口２を介してのガスの供給は、交換容易で圧力減少
式の供給容器及び調整式の通′Ａ流量測定装置、小さい
フランジ接続部及び例えば電位を定められたレベルに保
持するための二つのｗ４製１ｉｉ１３１を備えた適当な
セラミック絶縁体２２を介して行なわれる。このガス供
給部は、イオン化容器１内の環状の出口隙間を持つガス
分配頭２３内で開放する。The supply of gas via the inlet 2 consists of an easily replaceable, pressure-reducing supply vessel and an adjustable through-flow measuring device, a small flange connection and two e.g. This is done through a suitable ceramic insulator 22 with W4 1ii131. This gas supply opens in a gas distribution head 23 with an annular outlet gap in the ionization vessel 1 .
絶縁保護層で被覆される水冷式の無線周波数コイル３は
、例えば３ｍｍの鋼管から成る。無線周波数コイル３の
、関連する無線周波数発生器への接続は、イオン化装置
カバー２４を通り、無線周波数損失回避の目的のために
、面積が大きく、真空密封され、かつ雲ｆ））盤２６を
介して金属の付着に対して保護される二つの通過コネク
タ２５を介して行なわれる。二つの無線周波数通過コネ
クタ２５とガス供給部は、好ましくは無線化装置２４上
で、中心コイル軸と対応する三角形の中心を持つ等辺二
角形の垂線に配置される。The water-cooled radio frequency coil 3 covered with an insulating protective layer is made of a 3 mm steel tube, for example. The connection of the radio frequency coil 3 to the associated radio frequency generator is through an ionizer cover 24 and a large area, vacuum sealed and cloud f)) panel 26 for the purpose of avoiding radio frequency losses. This is done via two pass-through connectors 25 which are protected against metal adhesion through them. The two radio frequency passing connectors 25 and the gas supply are preferably arranged on the radioization device 24 in perpendicular lines of an equilateral diagonal with the center of the triangle corresponding to the central coil axis.
ビーム形成システムは、第一の格子電極６によってイオ
ン化容器１に直接確保される。第三の格子抽出システム
６．７．８は、特別に、非常に低いビーム電圧に対して
設計される。例えば直径５．３ｃｍの断面１５の全体に
わたって、第一の格子電極６．７は各々、厚さが０．５
ｍｍだけで、かつ間隔も０．５ｍｍにすぎない。The beam forming system is secured directly to the ionization vessel 1 by a first grid electrode 6 . The third grating extraction system 6.7.8 is specially designed for very low beam voltages. For example, over the entire cross section 15 with a diameter of 5.3 cm, the first grid electrodes 6.7 each have a thickness of 0.5 cm.
mm, and the interval is only 0.5 mm.
従って、電流を決定する抽出間隔ｄ（第３図）は約２
ｍ ｍだけである。Therefore, the sampling interval d (Fig. 3) which determines the current is approximately 2
It's only mm.
格子電極６．７は、機械的及び熱的理由のために、抽出
面１５の外側でそれぞれ１．５ｍｍに厚くされる。The grid electrodes 6.7 are each thickened to 1.5 mm outside the extraction surface 15 for mechanical and thermal reasons.
全格子電極は、好ましくは、高い電気及び熱的伝導性、
低い熱爬張係数及び高い温度安定性並びに低いスパッタ
リング率の点で、モリブデンから製造される。The whole grid electrode preferably has high electrical and thermal conductivity,
Manufactured from molybdenum due to its low thermal elongation coefficient and high temperature stability as well as low sputtering rate.
格子電極の熱的不整配列を回避するために、小さい空間
寸法の支持装置または中心ホルダ１７が格子の中心に配
置ｎされる。第一の格子電極６．７を中心ホルダ１７と
一緒に機械的に安定した方法で確保するために、第三の
格子電極８は全断面にわたって比較的安定化され、かつ
例えば、好ましくは円すい的にテーパ付けされた抽出穴
と共に、約２ｍｍの厚さで形成される。In order to avoid thermal misalignment of the grid electrodes, a support device or center holder 17 with small spatial dimensions is placed in the center of the grid. In order to ensure the first grid electrode 6.7 together with the central holder 17 in a mechanically stable manner, the third grid electrode 8 is relatively stabilized over its entire cross section and preferably has a conical shape. with an extraction hole tapered to approximately 2 mm thick.
第５図に示される本発明の変形例では、三つの格子電極
６．７．８の個々の穴直径は、それぞれ３ｍｍ、２ｍｍ
及び３．２ｍｍである。第一の格子電極６において、ビ
ーム直径５．０ｍと１ｍｍの穴の間の幅では、それによ
り１４４の抽出穴が得られる。これに関して注意される
べきことは、抽出面は、希望されるならば、さらに穴あ
けすることが出来、約３００の抽出穴を得るのは困難で
はない、ということである。In the variant of the invention shown in FIG. 5, the individual hole diameters of the three grid electrodes 6.7.8 are respectively 3 mm and 2 mm.
and 3.2 mm. In the first grid electrode 6, with a width between a beam diameter of 5.0 m and a hole of 1 mm, 144 extraction holes are thereby obtained. It should be noted in this regard that the extraction surface can be further drilled if desired and it is not difficult to obtain about 300 extraction holes.
抽出システムの後ろに挿入されるイオン光学的焦点集中
レンズは、第三の抽出格子８のばかに、二つの等間隔の
ステンレス鋼リング電極９．１０を含み、これらの電極
はビーム軸に対して約１５°の角度で設定されている。The ion optical focusing lens inserted after the extraction system comprises two equally spaced stainless steel ring electrodes 9.10 above the third extraction grating 8, these electrodes being aligned with respect to the beam axis. It is set at an angle of approximately 15°.
すなわち、リング電極の半径方向内部周縁は、１５６の
二倍の円すい角を有する仮想円すい面上にある。That is, the radially inner periphery of the ring electrode lies on a virtual conical surface having a cone angle twice 156.
四つの電圧供給ユニットの最大値は、ビーム形成システ
ム全体に対して、すなわちイオン化容器１を含む第一の
格子電極６、第二の格子電極７、第三の格子電極８及び
第一のリング電極９に対して必要とされる。Ｋｋ ｆ＆
のイオンレンズ電極を形成するリング電極１０は、接地
電位にある。必要ならば二つの電極を同じ電圧源、また
は電位分割器を介して同じ電圧源に直結することも可能
である。A maximum of four voltage supply units is required for the entire beam forming system, namely the first grid electrode 6 containing the ionization vessel 1, the second grid electrode 7, the third grid electrode 8 and the first ring electrode. Required for 9. Kk f&
The ring electrode 10 forming the ion lens electrode of is at ground potential. If necessary, it is also possible to connect the two electrodes directly to the same voltage source or via a potential divider.
五つの電極６．７．８．９．１０は、好ましくは絶縁体
１８及び絶縁体ボルトによって、絶縁体フランジ１６の
対応する穴内に絶縁体ボルトを挿入することにより中心
出しされる。イオン化及びビーム形成システムは接地ハ
ウジング３０に、支持リング１９、ガラスＩａ＃ｔ１把
手２０及び第二のリング電極１ｏを介して確保される。The five electrodes 6.7.8.9.10 are preferably centered by insulators 18 and insulator bolts by inserting the insulator bolts into corresponding holes in the insulator flange 16. The ionization and beam forming system is secured to the grounded housing 30 via the support ring 19, the glass Ia#t1 handle 20 and the second ring electrode 1o.
ハウジング３０は、イオン源を外側から関連する真空室
上にフランジ結合可能な手段によって、フランジ２１と
共に備えられる。The housing 30 is provided with a flange 21 by means allowing the ion source to be flanged onto the associated vacuum chamber from the outside.
第６図は、非常に低いイオンエネルギのための二次的な
磁気焦点集中装置を持つ無線周波数イオンビーム源の変
形実施例を示している。FIG. 6 shows a modified embodiment of a radio frequency ion beam source with a secondary magnetic focus concentrator for very low ion energies.
この目的のため磁界コイル２７は出力側に備えられ、か
つ例えば１０から３０ｍＴの範囲にあって、運動イオン
エネルギへの方法である磁界強さを有する磁気的レンズ
を形成する。磁界コイル２７は、それによって第二のリ
ング電極１０と軟鉄カバー２８の間に取り付けられる。For this purpose, a magnetic field coil 27 is provided on the output side and forms a magnetic lens with a magnetic field strength, for example in the range from 10 to 30 mT, which is the way to the kinetic ion energy. The magnetic field coil 27 is thereby mounted between the second ring electrode 10 and the soft iron cover 28.
軟鉄カバー２８は、ねじボルト２９によってリング電極
１０に確保される。A soft iron cover 28 is secured to the ring electrode 10 by threaded bolts 29.
第７図は、２ＭＨｚでアルゴンを使用するとき、第５図
に基づく高周波イオンビーム源に対する典型的放電特性
を示す。抽出されたイオン′ｒｒ！、流が（パラメータ
として）、高周波出力とガス’ＬＸｆｆｉに依存して示
される。イオン電流源に対して約４０Ｗの約高周波渦電
流損失は、電流ゼロに対する水平境界線として生ずる。FIG. 7 shows typical discharge characteristics for the radio frequency ion beam source according to FIG. 5 when using argon at 2 MHz. Extracted ions'rr! , the flow is shown (as a parameter) depending on the radio frequency power and the gas 'LXffi. Approximately high frequency eddy current losses of approximately 40 W for the ionic current source occur as a horizontal boundary for zero current.
！［！直漸近線は、理論的な１００％ガス経清性によっ
て示される。注目すべき点は、従来の装置のそれの約二
倍程度の高さの、非常に高いイオン収量（無線周波数の
ユニット当たりのビーム密度）である。相応する無線周
波数出力とガス通過量に対して、合計２００ｍＡ以上の
イオン電流を作り出すことは、困難ではない。! [! A direct asymptote is indicated by the theoretical 100% gas permeability. What is noteworthy is the very high ion yield (beam density per unit of radio frequency), about twice as high as that of conventional devices. It is not difficult to produce a total ionic current of more than 200 mA for a corresponding radio frequency power and gas throughput.
特別な、希望されるイオン電流を抽出するためには、第
７図に示されるように、無線周波数出力とガス流量を選
択して、両者が互いに適応するようにすることが必要で
ある。さらに、第８図から分かるように、第一の格子電
極６と第二の格子電極７の間の電位差として、必要な抽
出電圧が印加されなければならない。これから独立的に
、イオンエネルギは第一の格子電極６の電位によって決
定することが出来る。第二の格子電極７の電位は、しか
るとき、必要な抽出電圧と希望されるビーム電圧の差に
よって与えられる。さらに、イオンレンズは、低いイオ
ンエネルギと高い電流密度でさらにスイッチオンされる
。In order to extract a particular desired ion current, it is necessary to select the radio frequency power and the gas flow rate so that they are compatible with each other, as shown in FIG. Furthermore, as can be seen from FIG. 8, the required extraction voltage must be applied as a potential difference between the first grid electrode 6 and the second grid electrode 7. Independently from this, the ion energy can be determined by the potential of the first grid electrode 6. The potential of the second grid electrode 7 is then given by the difference between the required extraction voltage and the desired beam voltage. Additionally, the ion lens is further switched on at low ion energies and high current densities.
そのほかに第８図から分かるように、本発明によるイオ
ンビーム源は、明らかに従来のイオンビーム源の抽出電
圧以下、特に係数２ないし３．５だけ下方、にある低い
抽出電圧を使用する。従って、例えば１ｋＶの抽出電圧
を用いて５ ｍ Ａ ／−の電流密度を得ることは、す
でに可能であり、この値は、加速・減速比を限界内に保
持可能のため、低いイオンエネルギにおいて特に有利で
ある。In addition, as can be seen from FIG. 8, the ion beam source according to the invention uses a low extraction voltage which is clearly below the extraction voltage of conventional ion beam sources, in particular by a factor of 2 to 3.5. Therefore, it is already possible to obtain a current density of 5 m A /- with an extraction voltage of, for example, 1 kV, and this value is especially important at low ion energies, since the acceleration/deceleration ratio can be kept within limits. It's advantageous.
イオン光学的ビームレンズはイオン放射源の出力におい
て、とりわけ低いイオンエネルギで、電流分布、焦点集
中の程度及びビームの輪郭に作用する。イオンビームの
品質はさらに、ビームの周りに分布して配置される白熱
フィラメントによって、接地されたイオン源出力におい
て発生可能な電子による出力側でのビーム中性化によっ
て改善される。イオンレンズの中心電極の負の電位が、
三つの格子電極を中性化装置からの電子に対して遮蔽す
ることも有利である。Ion optical beam lenses affect the current distribution, degree of focus and beam profile at the output of the ion radiation source, especially at low ion energies. The quality of the ion beam is further improved by beam neutralization on the output side by electrons that can be generated at the grounded ion source output by means of incandescent filaments distributed around the beam. The negative potential of the center electrode of the ion lens is
It is also advantageous to shield the three grid electrodes against electrons from the neutralization device.
（発明の効果）
本発明に基づく無線周波数イオンビーム源は、ガス状金
属化合物からの金属イオン及び反応ガス、例えばＮ９、
Ｃ０、Ｂｉｏ、Ｂ”Ｔｉ◆ ２ｒ◆のイオンを含む広範
なイオンに対して使用可能である。さらにそれは、約０
．５ｍＡ／ｃｊと１０ ｍ Ａ ／ ｃｄの間で連続的
に調節自在のイオン電流密度を、約１０ｅＶと３ｋｅＶ
の間でほぼ連続的に可変のイオンエネルギと共に、独立
的に調節自在の高い電流密度をもってさえも、選択する
ことを可能にする。さらに、高周波のイオンビーム源は
、ここで述べられた例では、約５ｃｍのビーム直径を供
給するため、５ｃｍ以上の直径の基礎と共に作動させる
ことが出来る。イオン源と基礎の間の距離は、２０ない
し４０ｃｍの範囲に存在しｆする。さらに、本発明のイ
オンビーム源は、長い作業寿命と仕事の間の長い時間間
隔並びに取り扱い易さの点で特徴を有する。このことは
、それを問題なしに外側からそれぞれ関係する真空室上
にフランジ接合可能にするため、利点である。(Effects of the Invention) The radio frequency ion beam source according to the present invention comprises metal ions from a gaseous metal compound and a reactive gas, such as N9,
It can be used for a wide range of ions including C0, Bio, B”Ti◆2r◆ ions.
．． Continuously adjustable ion current density between 5 mA/cj and 10 mA/cd, approximately 10 eV and 3 keV
It is possible to select even independently adjustable high current densities, with ion energies that are nearly continuously variable between. Furthermore, the high frequency ion beam source can be operated with a 5 cm or larger diameter foundation to provide a beam diameter of approximately 5 cm in the example described herein. The distance between the ion source and the foundation is in the range 20 to 40 cm. Furthermore, the ion beam source of the invention is characterized by a long working life and long time intervals between tasks as well as ease of handling. This is an advantage since it allows it to be flanged onto the respective associated vacuum chamber from the outside without any problems.
反応室と抽出格子システムを拡大することによって、異
なる形状において実際上、より幅広いビームを発生させ
ることも出来る。抽出システムの適当な寸法形状によっ
て、ビームは円形にも積置形にも、またはそれらがまる
で細長溝から出て来たかの様なストライブ状にすること
さえも出来る。ビームの分岐は、適当なイオン光学技術
と抽出格子の形状寸法によって、希望されるように選択
することも出来る。By enlarging the reaction chamber and extraction grid system, a virtually wider beam can also be generated in different geometries. Depending on the appropriate dimensions and configuration of the extraction system, the beams can be circular, stacked, or even striped, as if they were coming out of a slot. Beam branching can also be selected as desired by appropriate ion optics techniques and extraction grating geometry.
第１図は基礎上への被覆の製造と材料表面の処理のため
の本発明による無線周波数イオンビーム源の略図、第２
図は第１図による無線周波数イオンビーム源におけるこ
れらの半径方向過程に関しての放電とプラズマデータの
典型的数値の線図、第３図は三つの格子電極システムを
用いて第１図による無線周波数イオンビーム源のプラズ
マからのイオンビームの一部の抽出による形成方法を説
明する略図、第４図は第３図の抽出システムの合計抽出
自在イオン電流の線図、第５図は本発明による無線周波
数イオンビーム源の一実施例の断面図、第６図は第５図
によるイオンビーム源での使用のための二次的な磁気焦
点集中装置の部分断面図、第７図は第５図によるイオン
ビーム源の典型的放電特性線図、及び第８図は電流密度
と抽出されたイオン電流の関数としてのアルゴンに対す
る第５図によるイオンビーム源の格子システムの必要な
抽出電圧の線図である。
トイオン化容器、２・ガス入り口、３・無線周波数コイ
ル、４・無線周波数発生器、５・永久磁石、６・第一の
格子電極（抽出陽１ｉｔ）、７・第二の格子電極（抽出
陰極）、８・第三の格子電極（制動格子）、９・第一の
リング電極（イオンレンズ）、１０・第二のリング電極
（イオンレンズ）１１・高電圧発生器、１２・イオンビ
ーム、】３・プラズマ、１４・プラズマ境界、１５・抽
出面、１６・イオン化装置フランジ、１７・中心ホルダ
、１８・絶縁体要素、１９・支持リング、２０・締め付
け要素、２１・取り付けフランジ、２２・セラミック絶
縁体、２３・ガス分配入り口、２４・イオン化装置カバ
ー、２５・コイル通過部材、２６・シャドウスクリーン
、２７・磁気コイル、２８・軟鉄材、２９・ボルト、３
０・ハウジング、３１−鋼線網。
図面の浄書
ＦＩＧ 、 ４
ｍＡ／ＣＩＴ１２
手続補正書
（方式）
％式％
発明の名称
無線周波数のイオンビーム源
補正をする者
事件との関係 特許出願人
名 称 ハウザー ホールディ
ベー、ファウ。1 is a schematic representation of a radio frequency ion beam source according to the invention for producing coatings on foundations and treating material surfaces; FIG.
Figure 1 shows typical numerical diagrams of discharge and plasma data for these radial processes in a radio frequency ion beam source according to Figure 1; Figure 3 shows a typical numerical diagram of discharge and plasma data for these radial processes in a radio frequency ion beam source according to Figure 1; 4 is a diagram of the total extractable ion current of the extraction system of FIG. 3; FIG. 5 is a radio frequency diagram according to the invention; FIG. 6 is a partial cross-sectional view of a secondary magnetic focus concentrator for use in the ion beam source according to FIG. 5; FIG. 7 is a cross-sectional view of an embodiment of an ion beam source according to FIG. A typical discharge characteristic diagram of a beam source, and FIG. 8 is a diagram of the required extraction voltage of the grid system of the ion beam source according to FIG. 5 for argon as a function of current density and extracted ion current. 2. Gas inlet, 3. Radio frequency coil, 4. Radio frequency generator, 5. Permanent magnet, 6. First grid electrode (extraction positive 1it), 7. Second grid electrode (extraction cathode). ), 8. Third grid electrode (braking grid), 9. First ring electrode (ion lens), 10. Second ring electrode (ion lens), 11. High voltage generator, 12. Ion beam,] 3. Plasma, 14. Plasma boundary, 15. Extraction surface, 16. Ionizer flange, 17. Central holder, 18. Insulator element, 19. Support ring, 20. Tightening element, 21. Mounting flange, 22. Ceramic insulation. Body, 23・Gas distribution inlet, 24・Ionizer cover, 25・Coil passing member, 26・Shadow screen, 27・Magnetic coil, 28・Soft iron material, 29・Bolt, 3
0.Housing, 31-Steel wire mesh. Engraving of drawings FIG, 4 mA/CIT12 Procedural amendment (method) % formula % Name of invention Relationship to the radio frequency ion beam source correction case Patent applicant name Hauser Halldebe, Fau.
Claims (1)
在のガス状金属蒸気及び金属化合物が供給されるイオン
化容器（１）、誘導的に発生させられる放電によって作
られるプラズマと共に、イオン化容器（１）内にプラズ
マを発生させるための無線周波数源（４）に連結される
コイル（３）、及び数個の抽出格子（６、７、８）を有
するビーム形成システムを含んでいる無線周波数イオン
ビーム源において、自動的環状放電を生じさせ、かつイ
オン、電子及び中性ガス微粒子の非等温性プラズマを発
生させるために機能する無線周波数コイル（３）がイオ
ン化容器（１）の内部に同軸的に配置されること、イオ
ン化容器（１）が金属の伝導性容器として形成されるこ
と、かつビーム形成システムが多孔性抽出格子（６、７
、８）及びこれらに直接従い、また特に選択的にスイッ
チオンされ得るイオン焦点集中ユニット（８、９、１０
）の組み合わせを含むことを特徴とするイオンビーム源
。 ２、化学抵抗性のステンレスと非磁性金属を含むイオン
化容器（１）が正のビーム電位にあり、この電位は特に
約＋１０Ｖから＋３０００Ｖまでの範囲内で可変であり
、かつ冷却液と共に備えられることを特徴とする特許請
求の範囲第１項記載のイオンビーム源。 ３、イオン化容器（１）の内部に配置され、特に、それ
を通って冷却媒体が流れる鋼管から成る無線周波数コイ
ル（３）が絶縁保護層によって被覆され、この保護層は
好ましくは石英繊維の織物カバー、ガラス被覆等から成
ることを特徴とする特許請求の範囲第１項記載のイオン
ビーム源。 ４、イオン化容器（１）が一部品で形成されたカバー（
２４）付きの金属シリンダ及びカバー（２４）から遠い
末端に備えられる連結フランジ（１６）を含むこと、カ
バー（２４）を通るコイル連結部の供給のための絶縁体
が、互いに、及び容器軸に対して相対的に好ましくは一
様に置換されている絶縁体と共に、カバー（２４）上ま
たはその内部に備えられ、その際その上への金属の付着
に対して絶縁体を保護すべくスクリーン（２６）が内方
へ突出していること、ガスの入り口（２）がカバー（２
４）内に備えられ、かつイオン容器（１）の内側で分配
器の入り口（２３）と共に備えられること、及びイオン
源が外側から真空室上にフランジ結合されることを可能
にする抽出システム（６、７、８、９、１０）及び取り
付けフランジ（２１）が共に、上記の取り付けフランジ
（２１）と上記の連結フランジ（１６）の間に備えられ
る絶縁中間構造部分と共に、上記の連結フランジ（１６
）に固定されることを特徴とする前述の特許請求の範囲
の一つに記載のイオンビーム源。５、特に中央で、イオ
ン化容器（１）及び無線周波数コイル（３）に対して相
対的に配置される交番極性の永久磁石（５）のリングが
、プラズマの集中とイオン容器（１）の壁上での放電損
失の減少のため、イオン化容器（１）の金属外側ジャケ
ットに取り付けられることを特徴とする前述の特許請求
の範囲の一つに記載のイオンビーム源。 ６、抽出格子（６、７、８）が多孔性の三つの格子抽出
システムを形成し、このシステムの第一の格子電極（６
）は金属のイオン化容器（１）と連結されること、相互
に絶縁される個々の格子電極（６、７、８）の厚さ寸法
とこれらの相互間隔は１ｍｍ以下であること、かつ中心
ホルダ（１７）が格子電極（６、７、８）の間隔を固定
するために備えられることを特徴とする前述の特許請求
の範囲の一つに記載のイオンビーム源。 ７、二つの第一の格子電極（６、７）が約０．５ｍｍま
たはそれ以下の厚さと、抽出断面（１５）にわたって対
応的に小さな相互間隔を有すること、かつ第三の格子電
極（８）がそれの全断面にわたって第一のそれよりもや
や大きい厚さを有し、それによって第三の格子電極（８
）は中心ホルダ（１７）用のホルダとして機能すること
を特徴とする特許請求の範囲第６項記載のイオンビーム
源。 ８、格子電極（６、７、８）は熱的な形状安定性と温度
抵抗性を有し、かつ例えばモリブデン、ステンレス鋼等
から成ること、かつ特に円すい的にテーパにされる連続
的な格子電極（６、７、８）内の抽出孔の直径は異なっ
ているように、特にビーム方向で見るとき、約３ｍｍ、
２ｍｍ及び３．２ｍｍになるように選択されることを特
徴とする特許請求の範囲第７項記載のイオンビーム源。 ９、無線周波数コイル（３）の直径は少なくとも実質的
に三つの格子抽出システム（６、７、８）の抽出域（１
５）の直径と同じであることを特徴とする前述の特許請
求の範囲の一つに記載のイオンビーム源。 １０、イオン焦点集中ユニットが、第三の格子電極（８
）と二つのリング電極（９、１０）によって形成される
光学的なイオン焦点集中レンズを、想像的円すい面、特
に上記のイオン化容器上にあるリング電極の半径、方向
内側周縁と共に含むことを特徴とする前述の特許請求の
範囲の一つに記載のイオンビーム源。 １１、格子及びリング電極（９、１０）は熱的な形状安
定性と温度抵抗性を有してステンレス鋼やモリブデン等
を含み、かつ少なくとも実質的に、第三の格子電極（８
）が隣のリング電極（９）から有するのと同じお互いか
らの距離を有することを特徴とする特許請求の範囲１０
項記載のイオンビーム源。 １２、イオンエネルギに合った磁界強さを持つ磁気レン
ズ（２７）が、ビームの集束を支援すべく、イオンビー
ム源の出口の領域内に配置されることを特徴とする前述
の特許請求の範囲の一つに記載のイオンビーム源。 １３、少なくとも一つの白熱フィラメントから作られる
ビーム中和装置が好ましくは接地されたイオンビーム源
出力の区域内に、またはイオンレンズの範囲内に、イオ
ンビーム（１２）内部への電子の射出のために備えられ
ることを特徴とする前述の特許請求の範囲の一つに記載
のイオンビーム源。 １４、イオン化容器（１）及び／または格子電極及びリ
ング電極が、さらに磁気レンズ（２７）も、関係する金
属の熱伝導率を利用する間に、冷却媒体によって直接ま
たは間接的に冷却されることを特徴とする前述の特許請
求の範囲の一つに記載のイオンビーム源。 １５、無線周波数出力及び／または抽出速度に依存する
電流密度とイオンエネルギがお互いから独立して可変で
あることを特徴とする前述の特許請求の範囲の一つ以上
に記載のイオンビーム源を作動させる方法。 １６、イオンの焦点集中が、イオンエネルギが約１００
０ｅＶの値以下に、特に約３００ｅＶの値以下に落下す
る時、スイッチオンされることを特徴とする特許請求の
範囲第１５項記載の方法。 １７、すでに記述されたイオン光学系と基礎の間に配置
される一つまたはいくつかの磁気コイルの手段を構成し
ている後段焦点集中装置が、イオンエネルギが約５００
ｅＶ以下に落下する場合に、スイッチオンされることを
特徴とする特許請求の範囲第１５及び１６項記載の方法
。 １８、少なくとも一つの絶縁面を持つ基礎と共に作動す
る時、ビーム中和装置の手段によってつねに空間充電が
補償されることを特徴とする特許請求の範囲第１５また
は１６項記載の方法。 １９、５００ｅＶ以下のイオンエネルギを用いて、ビー
ム中和装置の手段によって空間充電が補償されることを
特徴とする特許請求の範囲第１５ないし１７項の一つに
記載の方法。 ２０、約３００ｅＶ以上で、二次的な後段加速システム
が、あらかじめ決定可能な間隔にある抽出システムに続
いて配置されることを特徴とする前述の特許請求の範囲
の一つに記載のイオンビーム源。 ２１、基礎の表面処理と基礎に対して良好な付着性を持
つ特殊層の調製のため、それによって表面処理と調製が
、一つのものから他のそれへの個々の段階の連続的推移
において行なわれ、かつそれによって各段階の最良のイ
オンエネルギと最良のイオン電流密度が使用されること
を特徴とする特許請求の範囲第１ないし２０項の一つに
記載の無線周波数イオンビーム源の使用方法。 ２２、工程段階の手順が、以下の工程段階の少なくとも
いくつかのものの、まだここでは述べられていないその
他の段階との任意な組み合わせであることを特徴とする
特許請求の範囲第２１項記載の使用方法。 ａ）適当に選択されたイオンエネルギとイオン電流密度
によるイオンビーム腐蝕によって清浄化され、部分的に
腐蝕される基礎面。 ｂ）基礎面は、低いイオンエネルギと高い電流密度（１
ｍＡ／ｃｍ＾２以上）のイオンビームの手段によって加
熱され、かつガスを除去される。 ｃ）基礎面は、凹凸孔と溝の手段によつて、希望される
層の良好な機械的アンカー作用を目標に粗面化される。 ｄ）高エネルギ（５０ｋｅＶ以上）のイオン（ビームの
電流密度は低い）が基礎に射出される結果、イオンは若
干の原子平面を、結晶質（結晶粒）内部に、特に結晶原
子の間の空間内部に、かつ結晶質（内部粒）の内部空間
の内部にさえ、深く侵入して原子の内部拡散を開始し、
それによってイオンの注入が侵入イオン、混合された結
晶体及び、例えば、基礎の物質との内部金属的化合物の
固溶体を作り出す。 ｅ）金属、合金または化合物の層が基礎の表面上に、各
結晶物の組織と形状に対して必要な最良のイオンエネル
ギと最良のイオン電流密度によって生成される。 ｆ）金属、合金または化合物の層が各結晶組織と結晶方
向に対して必要な、最良のイオンエネルギと最良のイオ
ン電流密度によって生成される。 ２３、合成物の性質の合金及び化合物が、適当なイオン
ビーム密度とイオンエネルギを持ついくつかのイオン源
手段によって作り出されることを特徴とする特許請求の
範囲第２１及び２２項記載の使用方法。 ２４、合金と化合物、例えば合成物の性質の合金と化合
物が、適当なイオンエネルギとイオン電流密度を持つい
くつかのイオン源を使用して製造されることを特徴とす
る特許請求の範囲第２１ないし２３項の一つに記載の使
用方法。[Claims] 1. An ionization vessel (1) into which the individual working gases to be ionized, in particular freely condensable gaseous metal vapors and metal compounds, are supplied, together with a plasma created by an inductively generated electric discharge. , a beam forming system having a coil (3) coupled to a radio frequency source (4) for generating a plasma in an ionization vessel (1), and several extraction gratings (6, 7, 8). In a radio frequency ion beam source in which a radio frequency coil (3) serves to produce an automatic annular discharge and generate a non-isothermal plasma of ions, electrons and neutral gas particles, a radio frequency coil (3) is located in the ionization vessel (1). The ionization vessel (1) is formed as a metallic conductive vessel and the beam forming system is arranged coaxially inside the porous extraction grid (6, 7).
, 8) and ion focusing units (8, 9, 10
). 2. The ionization vessel (1) containing chemically resistive stainless steel and non-magnetic metal is at a positive beam potential, which is variable in particular in the range from approximately +10 V to +3000 V, and is provided with a cooling liquid. An ion beam source according to claim 1, characterized in that: 3. A radio frequency coil (3), which is arranged inside the ionization vessel (1) and in particular consists of a steel tube through which the cooling medium flows, is covered by an insulating protective layer, which protective layer is preferably a fabric of quartz fibers. An ion beam source according to claim 1, characterized in that it comprises a cover, a glass coating, etc. 4. A cover where the ionization container (1) is formed in one piece (
24) and a connecting flange (16) provided at the distal end from the cover (24), insulators for feeding the coil connections through the cover (24) to each other and to the vessel axis. a screen (24) is provided on or in the cover (24) with an insulator which is preferably uniformly substituted relative to the 26) protrudes inward, and the gas inlet (2) is connected to the cover (2).
4) an extraction system (within the distributor inlet (23)) which is provided inside the ion vessel (1) and allows the ion source to be flanged onto the vacuum chamber from the outside; 6, 7, 8, 9, 10) and a mounting flange (21) together with an insulating intermediate structural part provided between said mounting flange (21) and said coupling flange (16). 16
10. Ion beam source according to one of the preceding claims, characterized in that the ion beam source is fixed to ). 5. A ring of permanent magnets (5) of alternating polarity arranged relative to the ionization vessel (1) and the radio frequency coil (3), especially in the center, serves to reduce the concentration of the plasma and the walls of the ionization vessel (1). Ion beam source according to one of the preceding claims, characterized in that it is attached to the metal outer jacket of the ionization vessel (1) in order to reduce discharge losses thereon. 6. The extraction grids (6, 7, 8) form a porous three-grid extraction system, the first grid electrode (6) of this system
) is connected to the metal ionization vessel (1), the thickness dimension of the individual grid electrodes (6, 7, 8) which are insulated from each other and their mutual spacing is less than 1 mm, and the central holder Ion beam source according to one of the preceding claims, characterized in that (17) is provided for fixing the spacing of the grid electrodes (6, 7, 8). 7. The two first grid electrodes (6, 7) have a thickness of about 0.5 mm or less and a correspondingly small mutual spacing over the extraction cross section (15), and the third grid electrode (8 ) has a slightly larger thickness over its entire cross-section than that of the first, whereby the third grid electrode (8
7. Ion beam source according to claim 6, characterized in that the central holder (17) serves as a holder for the central holder (17). 8. The grid electrodes (6, 7, 8) must have thermal dimensional stability and temperature resistance and be made of, for example, molybdenum, stainless steel, etc., and in particular are continuous grids tapered conically. The diameters of the extraction holes in the electrodes (6, 7, 8) are as different, especially when viewed in the beam direction, approximately 3 mm,
8. Ion beam source according to claim 7, characterized in that the ion beam source is selected to be 2 mm and 3.2 mm. 9. The diameter of the radio frequency coil (3) is at least substantially equal to the extraction area (1) of the three grating extraction systems (6, 7, 8).
5) Ion beam source according to one of the preceding claims, characterized in that the diameter is the same as that of 5). 10. The ion focusing unit connects the third grid electrode (8
) and an optical ion-focusing lens formed by two ring electrodes (9, 10), with an imaginary conical surface, in particular the radial, directional inner periphery of the ring electrodes lying on the ionization vessel mentioned above. An ion beam source according to one of the preceding claims. 11. The grid and ring electrodes (9, 10) have thermal shape stability and temperature resistance and include stainless steel, molybdenum, etc., and are at least substantially connected to the third grid electrode (8).
) have the same distance from each other as from the neighboring ring electrode (9).
Ion beam source as described in section. 12. The foregoing claims, characterized in that a magnetic lens (27) with a magnetic field strength matched to the ion energy is arranged in the region of the exit of the ion beam source to assist in focusing the beam. An ion beam source as described in one of the following. 13. A beam neutralization device made of at least one incandescent filament, preferably in the area of the grounded ion beam source output or within the range of an ion lens, for injection of electrons into the ion beam (12). Ion beam source according to one of the preceding claims, characterized in that it is provided with. 14. The ionization vessel (1) and/or the grid electrode and the ring electrode, and also the magnetic lens (27), are cooled directly or indirectly by a cooling medium while taking advantage of the thermal conductivity of the metals involved. Ion beam source according to one of the preceding claims, characterized in that: 15. Operating an ion beam source according to one or more of the preceding claims, characterized in that the current density and the ion energy depending on the radio frequency power and/or the extraction rate are variable independently of each other. How to do it. 16. The focus concentration of ions is such that the ion energy is about 100
16. Method according to claim 15, characterized in that it is switched on when falling below a value of 0 eV, in particular below a value of approximately 300 eV. 17. A post-focus concentrator constituting means of one or several magnetic coils arranged between the ion optics and the foundation already described, with an ion energy of about 500
17. Method according to claims 15 and 16, characterized in that it is switched on when falling below eV. 18. A method according to claim 15 or 16, characterized in that when operating with a foundation having at least one insulating surface, space charging is always compensated by means of a beam neutralization device. 18. Method according to claim 15, characterized in that space charging is compensated for by means of a beam neutralization device using an ion energy of less than 19,500 eV. 20. Ion beam according to one of the preceding claims, characterized in that, above about 300 eV, a secondary post-acceleration system is arranged following the extraction system at a predeterminable interval. source. 21. For the surface treatment of the base and the preparation of special layers with good adhesion to the base, whereby the surface treatment and preparation are carried out in a continuous succession of individual steps from one to the other. Method of using a radio frequency ion beam source according to one of claims 1 to 20, characterized in that the best ion energy and the best ion current density of each stage are used. . 22. The process according to claim 21, characterized in that the sequence of process steps is any combination of at least some of the following process steps with other steps not already mentioned here: how to use. a) Base surface cleaned and partially etched by ion beam etching with suitably selected ion energies and ion current densities. b) The basal plane has low ion energy and high current density (1
It is heated and degassed by means of an ion beam (mA/cm^2 or more). c) The base surface is roughened by means of relief holes and grooves with the aim of good mechanical anchoring of the desired layer. d) As a result of the base injection of high-energy (more than 50 keV) ions (the current density of the beam is low), the ions create some atomic planes inside the crystalline material (crystal grains), especially in the spaces between the crystal atoms. It penetrates deeply into the interior and even into the interior spaces of crystals (internal grains) and starts internal diffusion of atoms,
The implantation of ions thereby creates a solid solution of interstitial ions, mixed crystals and, for example, internal metallic compounds with the underlying material. e) A layer of metal, alloy or compound is produced on the surface of the base with the best ion energy and the best ion current density required for the texture and shape of each crystalline object. f) A layer of metal, alloy or compound is produced with the best ion energy and best ion current density required for each crystal structure and direction. 23. Use according to claims 21 and 22, characterized in that alloys and compounds of synthetic nature are produced by means of several ion sources with suitable ion beam densities and ion energies. 24. Alloys and compounds, such as alloys and compounds of synthetic nature, are produced using several ion sources with suitable ion energies and ion current densities, claim 21. - Method of use as described in one of paragraphs 23 to 23.
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